CN113687041A - 可下潜式水域监测三体无人船 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可下潜式水域监测三体无人船，载荷电路舱的后导流罩和控制电路舱的后导流罩中间位置设置有水平推进器，垂直推进器设置在载荷电路舱和控制电路舱之间，电池舱在载荷电路舱和控制电路舱的下方中间位置，以平衡重心；所述控制电路舱中包括控制电路、电子罗盘和电机驱动电路；载荷电路舱中包括水质监测传感器和压力传感器；浮标进行数据传输和定位；激光扫描雷达扫描水面的障碍物，实现无人船的自动避障；摄像头记录水面和水下的实时影像；无线充电接收线圈接收充电的电能。本发明自动水面巡航并进行环境监测，还能进行垂直下潜，获取不同水层的传感器数据和水下影像。

Description

可下潜式水域监测三体无人船
技术领域
本发明属于水下作业领域，特别涉及一种可下潜式水域监测三体无人船。
背景技术
无人船是一种新型水域监测工具，具有监测灵活性强、监测范围广、自动测量、监测功能扩展性强、成本低等优点。现今亟需一种能够进行垂直下潜，搜集水体断面的水质数据，也可以稳定悬浮于水层中，拍摄水下影像，并通过浮标将数据实时传输到上位机的无人船。三体式的构架使得该无人船具备良好的可扩展性以及较低的制造成本，需要大大拓展传统无人船的监测范围和应用领域。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可下潜式水域监测三体无人船，包括电池舱、载荷电路舱、控制电路舱、水平推进器、垂直推进器、高度计、无线充电接收线圈、摄像头、浮标、激光扫描雷达和主体支架，其中，
所述摄像头、浮标和激光扫描雷达装配在主体支架上方，电池舱、载荷电路舱、控制电路舱、水平推进器、垂直推进器、高度计和无线充电接收线圈装配在主体支架下方；
所述电池舱、载荷电路舱和控制电路舱的前端均设置有前导流罩、后端均设置有后导流罩，在载荷电路舱的后导流罩和控制电路舱的后导流罩中间位置设置有水平推进器，垂直推进器设置在载荷电路舱和控制电路舱之间，电池舱在载荷电路舱和控制电路舱的下方中间位置，以平衡重心；所述控制电路舱中包括控制电路、电子罗盘和电机驱动电路；载荷电路舱中包括水质监测传感器和压力传感器；
所述浮标进行数据传输和定位；激光扫描雷达扫描水面的障碍物，实现无人船的自动避障；摄像头记录水面和水下的实时影像；无线充电接收线圈接收充电的电能。
优选地，所述所述电池舱、载荷电路舱和控制电路舱均通过舱体固定器与主体支架装配。
优选地，所述垂直推进器通过推进器固定器与主体支架装配。
优选地，所述垂直推进器设置4个。
优选地，所述水质传感器包括PH计、浊度计、温度计、硬度计和溶解氧计。
优选地，所述载荷电路舱还包括水下摄像机、续航电池和惯性导航单元。
优选地，所述浮标包括通信模块、GPS模块以及卷线模块，其中通信模块包括4G网络通信模组和WiFi通信模组，接收远程控制和进行数据传输；GPS模块对无人船进行定位；卷线模块实现水下、水面和上位机的实时通信。
优选地，所述卷线模块包括中心位置设置的卷簧和卷筒，卷筒为卷簧外圈设置的扁平网线，扁平网线将通信模块和GPS模块与所述控制电路舱的控制电路相连。
优选地，所述通信模块采用4芯网络通信。
优选地，所述GPS模块采用2芯CAN通信和2芯接收供电。
与现有技术相比，本发明公开的可下潜式水域监测三体无人船，至少具有以下有益效果：
1、应用了可自动伸缩的浮标，下潜时还可以保持高速通信，并且跟上位机通信是无线的，只要联网就能通信；现有技术中下潜时无法通信；
2、不仅能够自动在水面巡航，进行环境监测，还能够进行垂直下潜，获取不同水层的传感器数据和水下影像；
3、结构简单，灵活方便，通过各部分之间的相互配合，能够实现对水域水质环境的有效监测，并将监测结果通过网络模块传输给遥控终端；
4、相比于传统带缆水下机器人，航行距离不受缆绳长度限制、航行距离长、速度快、更适于水域监测。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例可下潜式水域监测三体无人船的结构示意图；
图2为本发明实施例可下潜式水域监测三体无人船的又一结构示意图；
图3为本发明实施例可下潜式水域监测三体无人船的航行和下潜状态示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
可下潜式水域监测三体无人船实施例参见图1和图2，包括电池舱11、载荷电路舱12、控制电路舱13、水平推进器21、垂直推进器22、高度计44、无线充电接收线圈42、摄像头41、浮标51、激光扫描雷达43和主体支架52，其中，
摄像头41、浮标51和激光扫描雷达43装配在主体支架52上方，电池舱11、载荷电路舱12、控制电路舱13、水平推进器21、垂直推进器22、高度计44和无线充电接收线圈42装配在主体支架52下方；
电池舱11、载荷电路舱12和控制电路舱13的前端均设置有前导流罩14、后端均设置有后导流罩15，在载荷电路舱12的后导流罩15和控制电路舱13的后导流罩15中间位置设置有水平推进器21，垂直推进器22设置在载荷电路舱12和控制电路舱13之间，电池舱11在载荷电路舱12和控制电路舱13的下方中间位置，以平衡重心；所述控制电路舱13中包括控制电路、电子罗盘和电机驱动电路；载荷电路舱12中包括水质监测传感器和压力传感器；
浮标51进行数据传输和定位；激光扫描雷达43扫描水面的障碍物，实现无人船的自动避障；摄像头41记录水面和水下的实时影像；无线充电接收线圈42接收充电的电能,。
电池舱11、载荷电路舱12和控制电路舱13均通过舱体固定器31与主体支架52装配。
垂直推进器22通过推进器固定器32与主体支架52装配，垂直推进器22设置4个。
水质传感器包括PH计、浊度计、温度计、硬度计和溶解氧计。
载荷电路舱12还包括水下摄像机、续航电池和惯性导航单元。
电池舱11、载荷电路舱12和控制电路舱13均采用有机玻璃管制作，电池舱11、载荷电路舱12和控制电路舱13的前导流罩14和后导流罩15用于降低水阻力。设置在最下方的电池舱11中装有质量较大的锂电池和无线充电电路，以降低无人船的重心。控制电路舱13中装有无人船的控制电路、电子罗盘、电机驱动电路，其中，电子罗盘可以测量无人船的航向和姿态。载荷电路舱12装有水质监测传感器和压力传感器(即深度计)，水质传感器通常包括PH计、浊度计、温度计、硬度计、溶解氧等，传感器的探测部分通过端盖伸出。载荷电路舱12还可以安装其他扩展模块，比如水下摄像机、续航电池、惯性导航单元等等。水平推进器21固定在后导流罩15上，垂直推进器22通过推进器固定器32固定在主体支架52上。电池舱11、载荷电路舱12和控制电路舱13通过水密线缆跟水平推进器21、垂直推进器22和舱外的传感器连接。
电池舱11、载荷电路舱12和控制电路舱13均置于水下，一来可以避免风浪和降雨等环境因素对无人船电子器件的影响，使得无人船可以全天候在室外作业，二来可以优化无人船整体的浮力配置，使无人船可以通过较小的垂直推力潜入水里。高度计44用于测量无人船到水底的距离，以避免下潜过程中发生触底。两个水平推进器21相互配合，可以方便的实现无人船前进、后退、转弯；由四个垂直推进器22组成的垂直推进阵列可以很好的控制无人船在下潜时的姿态，并在悬浮摄像过程中保持船身的稳定。
无人船的水上部分包括主体支架52、防水的摄像头41、防水的激光扫描雷达43、无线充电接收线圈42以及浮标51。其中，浮标51内装有通信模块、GPS模块以及卷线模块。通信模块具备4G网络通信和WiFi通信功能，实现无人船的远程控制和数据传输。GPS模块可以实现无人船的精准定位。激光雷达43可以扫描水面的障碍物，实现无人船的自动避障。摄像头41可以记录水面和水下的实时影像。无线充电接收线圈42属于无线充电装置的接收电路，跟岸上的无线发射线圈相互耦合，可以对无人船进行大功率充电。无线充电接收线圈42采用防水设计，保证了下潜过程中无人船线路连接的安全性。
卷线模块是实现水下-水面-上位机全实时通信的关键。卷线的结构类似卷尺，模块的中心是卷簧，卷簧外面是绕有扁平网线的卷筒。扁平网线将通信模块和GPS模块跟控制电路舱13的主控电路相连。其中通信模块采用4芯网络通信，GPS模块采用2芯CAN通信，另外2芯用于给GPS模块供电。
参见图3的水面航行和下潜状态示意图，当无人船下潜时，浮标51将漂浮在水面上，卷线模块上的扁平网线被无人船从卷筒拉出，当无人船上浮时，扁平网线在卷簧弹力的作用下自动收回，在此过程中，无人船始终通过通信模块跟手机、电脑等上位机保持网络连接，从而实现全实时的水质监测和水下摄像。
本发明对应的方法实施例，包括以下步骤：
1、将无人船放于待监测水域，静止状态下，水位线在控制电路舱13和载荷电路舱12的顶部±5cm；
2、在上位机上输入无人船的路径点和潜水点的坐标；
3、上位机将任务信息传到无人船，无人船开始追踪路径点，并实时测量水质数据、拍摄水面影像，上传到上位机；
4、无人船通过激光扫描雷达43测量水岸和障碍物，并自动避障；
5、无人船到达潜水点后，启动垂直推进器22开始下潜；
6、下潜过程中，无人船通过电子罗盘的姿态反馈，控制四个垂直推进器22的转速，使船身保持水平；同时，根据高度计44的反馈保持离底安全高度，避免触底，根据深度计的反馈下潜到指定深度；
7、无人船通过垂直推进器22自动控制深度，悬浮在指定深度的水层中，并通过水平推进器21调整朝向，进行水下拍摄，整个下潜过程的水质监测数据和影像信息都通过伸缩扁平网线传到浮标51，再通过浮标51传到上位机；
8、下潜任务完成，无人船垂直上浮，并继续追踪下一个路径点。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，包括电池舱、载荷电路舱、控制电路舱、水平推进器、垂直推进器、高度计、无线充电接收线圈、摄像头、浮标、激光扫描雷达和主体支架，其中，
所述摄像头、浮标和激光扫描雷达装配在主体支架上方，电池舱、载荷电路舱、控制电路舱、水平推进器、垂直推进器、高度计和无线充电接收线圈装配在主体支架下方；
所述电池舱、载荷电路舱和控制电路舱的前端均设置有前导流罩、后端均设置有后导流罩，在载荷电路舱的后导流罩和控制电路舱的后导流罩中间位置设置有水平推进器，垂直推进器设置在载荷电路舱和控制电路舱之间，电池舱在载荷电路舱和控制电路舱的下方中间位置，以平衡重心；所述控制电路舱中包括控制电路、电子罗盘和电机驱动电路；载荷电路舱中包括水质监测传感器和压力传感器；
所述浮标进行数据传输和定位；激光扫描雷达扫描水面的障碍物，实现无人船的自动避障；摄像头记录水面和水下的实时影像；无线充电接收线圈接收充电的电能。
2.根据权利要求1所述的可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，所述电池舱、载荷电路舱和控制电路舱均通过舱体固定器与主体支架装配。
3.根据权利要求1所述的可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，所述垂直推进器通过推进器固定器与主体支架装配。
4.根据权利要求1所述的可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，所述垂直推进器设置4个。
5.根据权利要求1所述的可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，所述水质传感器包括PH计、浊度计、温度计、硬度计和溶解氧计。
6.根据权利要求1所述的可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，所述载荷电路舱还包括水下摄像机、续航电池和惯性导航单元。
7.根据权利要求1所述的可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，所述浮标包括通信模块、GPS模块以及卷线模块，其中通信模块包括4G网络通信模组和WiFi通信模组，接收远程控制和进行数据传输；GPS模块对无人船进行定位；卷线模块实现水下、水面和上位机的实时通信。
8.根据权利要求7所述的可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，所述卷线模块包括中心位置设置的卷簧和卷筒，卷筒为卷簧外圈设置的扁平网线，扁平网线将通信模块和GPS模块与所述控制电路舱的控制电路相连。
9.根据权利要求7所述的可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，所述通信模块采用4芯网络通信。
10.根据权利要求7所述的可下潜式水域监测三体无人船，其特征在于，所述GPS模块采用2芯CAN通信和2芯接收供电。
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